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Computador quântico calcula energia exata de uma molécula de hidrogênio

Computador quântico calcula energia exata de uma molécula de hidrogênio
Cada nível de energia exigiu 20 medições quânticas, resultando em uma medição geral extremamente precisa de cada estado geométrico do hidrogênio molecular. [Imagem: M.Barbieri et al./New Journal of Physics]

Cientistas norte-americanos e australianos usaram uma técnica de computação quântica - e um computador quântico experimental - para calcular a energia exata de uma molécula de hidrogênio.

Esta abordagem inovadora para simulações moleculares poderá ter profundas implicações não apenas para a química quântica, mas também para uma série de campos de pesquisa, da criptografia à ciência dos materiais.

Química quântica

"Um dos problemas mais importantes para muitos químicos teóricos é a forma de executar simulações exata de sistemas químicos", diz Alan Aspuru-Guzik, professor de química e de biologia química da Universidade de Harvard. "Esta é a primeira vez que um computador quântico foi construído para fornecer esses cálculos precisos."

O trabalho, descrito na revista Nature Chemistry, é resultado de uma parceria entre a equipe de químicos teóricos de Aspuru-Guzik e um grupo de físicos experimentais liderado por Andrew White, da Universidade de Queensland, na Austrália.

"Nós somos os caras do software", diz Aspuru-Guzik, "e eles são os caras do hardware."

Simulações químicas

Embora qualquer supercomputador possa realizar simulações de sistemas moleculares simples, o aumento no tamanho do sistema resulta em um aumento exponencial do tempo de computação.

Trabalhar com poucas moléculas - cerca de quatro ou cinco - é fácil, mas cada molécula que se acrescenta exige uma nova geração de supercomputadores mais poderosos. Muitas vezes apenas para levar à conclusão de que é preciso acrescentar outra molécula - e assim por diante.

Simular o comportamento de moléculas complexas e importantes, como o colesterol ou a cafeína, por exemplo, permanece fora do alcance da ciência, limitando as descobertas sobre suas interações no organismo.

Drama dos químicos

A computação quântica tem sido anunciada como uma solução para esse verdadeiro drama dos químicos, devido ao seu potencial para resolver certos tipos de problemas que são impraticáveis para os computadores convencionais atuais ou no horizonte da tecnologia atual.

Em vez de usar bits binários - 0s e 1s - para codificar os dados, um computador quântico armazena as informações em qubits - quase "magicamente" um qubit pode representar simultaneamente um 0 e um 1. Com isto, os algoritmos quânticos permitem que o computador avalie simultaneamente todas as respostas possíveis para cada combinação de 0 e 1.

Na prática, isto significa que um computador quântico precisará fazer muito menos cálculos para resolver um problema do que um computador eletrônico convencional.

Abordagem futurista

"Como os computadores clássicos não escalam eficientemente, se você simular qualquer coisa maior do que quatro ou cinco átomos - por exemplo, uma reação química, ou mesmo uma molécula moderadamente complexa - isto se torna um problema intratável muito rapidamente", diz James Whitfield, outro membro da equipe. "Cálculos aproximados desses sistemas são geralmente o melhor que os químicos podem fazer."

De fato, o problema não é só dos químicos. Os físicos também labutam na mesma fronteira e continuam dependentes de esquemas de simulação sobre os quais não há confiabilidade de que todos os fatores naturais estejam sendo levados em conta.

Os cientistas agora enfrentaram esse desafio de uma maneira futurista. "Se é computacionalmente muito complexo simular um sistema quântico usando um computador clássico", diz Aspuru-Guzik, "porque não simular sistemas quânticos usando um outro sistema quântico?"

Fótons entrelaçados

Existem diversas propostas para a construção de computadores quânticos, mas nenhuma delas até agora gerou um computador quântico prático. Contudo, diversos computadores quânticos experimentais já foram demonstrados em laboratório.

A equipe australiana simulou a molécula de hidrogênio usando a informação codificada em dois fótons entrelaçados - entrelaçamento é um propriedade quântica que permite que duas partículas compartilhem informações instantaneamente, mesmo estando fisicamente separadas por grandes distâncias (veja Átomos assombrados de Einstein abrem caminho para computação quântica).

Cada nível de energia exigiu 20 medições quânticas, resultando em uma medição geral extremamente precisa de cada estado geométrico do hidrogênio molecular.

O experimento foi uma prova de conceito e os cientistas ainda não sabem se o aparato experimental utilizado se mostrará viável para medições mais complexas. Mas vale lembrar que os primeiros computadores eletrônicos usados cientificamente não tinham mais capacidade do que uma calculadora atual.

Bibliografia:

Towards quantum chemistry on a quantum computer
B. P. Lanyon, J. D. Whitfield, G. G. Gillett, M. E. Goggin, M. P. Almeida, I. Kassal, J. D. Biamonte, M. Mohseni, B. J. Powell, M. Barbieri, A. Aspuru-Guzik, A. G. White
Nature Chemistry
10 January 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nchem.483




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